Физические и экологические аспекты эксплуатации Смоленской АЭС (САЭС): проблемы и перспективы

XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Физические и экологические аспекты эксплуатации Смоленской АЭС (САЭС): проблемы и перспективы

Орещенков И.Г. 1
1Муниципального бюджетного общеобразовательного учреждения «РСШ №1 города Рудни»
Романенкова В.С. 1
1Муниципального бюджетного общеобразовательного учреждения «РСШ №1 города Рудни»
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Актуальность данной работы состоит в том, что:Смоленская АЭС (САЭС) является критически важна как основной источник энергии, которая обеспечивает более 80% электроэнергии региона, обеспечивающая стабильную работу промышленности и ЖКХ и является залогом энергетической безопасности региона. Смолеенская АЭС – это очень мощная атомная электростанция, которая расположенная на юге Смоленской области в 3 км от города Десногорск, находится на правом берегу Десногорского водохранилища, расстояние до города Смоленска  составляет 150 км.

В промышленной эксплуатации на Смоленской АЭС находится три энергоблока с уран-графитовыми канальными реакторами типа РБМК-1000 (введены в 1982–1990 гг.), электрическая мощность каждого энергоблока - 1 000 МВт, тепловая 3 200 МВт., суммарная установленная мощность станции - 3 000 МВт., связь данной электростанции с Единой энергетической системой России осуществляется шестью линиями электропередач напряжением 330 кВ (Рославль-1, 2), 500 кВ (Калуга, Михайлов), 750 кВ (Ново-Брянская, Белорусская).

Смоленской АЭС обеспечивая выработку электроэнергии после модернизации и продления сроков службы, несмотря на возрастные проблемы графитовой кладки. Станция использует усовершенствованные уран-графитовые реакторы, модернизируя их с помощью систем типа «СКАЛА-МИКРО», что позволяет безопасно продлевать их работу. Однако эксплуатация реакторов типа РБМК-1000, ресурс которых подходит к концу, ставит перед физиками и инженерами вопросы безопасности, утилизации отходов и перехода на новые типы реакторов, при этом станция проходит модернизацию для повышения безопасности, обеспечивая высокую степень защиты, в целом же, поддержание работы текущих блоков и сооружение новых блоков - это гарантия энергетической независимости центральной России.

  • Цель: Проанализировать ключевые проблемы атомной энергетики Смоленской области с точки зрения физики и экологии.

  • Задачи: Внести предложения по решению имеющихся проблем и наметить перспективы на будущее.

  • Методы исследования:

Подготовительный: изучение и анализ литературы для проведения научно-

исследовательской работы.

Теоретические: поиск и анализ информации.

Информационный: сбор, обработка, систематизация информации

Математический: статистика

Аналитический: анализ полученных результатов.

Заключительный: подведение итогов проделанной работы, формули­рование

выводов, установление применимости результатов.

  • Объект исследования: Смоленская АЭС (САЭС)

  • Предмет исследования: Безопасная деятельность Смоленской АЭС, возможные проблемы связанные с эксплуатацией станции и способы их решения.

  • Гипотеза: использование Смоленской АЭС заключается в обеспечении стабильного энергоснабжения, применении современных технологий управления и предотвращении выбросов CO2, играя роль в экологически чистой энергетике.

  1. Атомная энергетика

Атомная энергетика - это отрасль энергетики, производящая электрическую и тепловую энергию путем управляемой цепной реакции деления ядер (обычно урана-235 или плутония-239) в атомных реакторах. Она обеспечивает около 15-20% мировой электроэнергии. Атомная энергетика является одной из важнейших подотраслей глобальной энергетики, начавшая несколько десятков лет назад вносить заметный вклад в глобальное производство электроэнергии. Себестоимость электроэнергии, вырабатываемой АЭС сегодня, позволяет говорить о серьезной конкуренции с их стороны другим типам электростанций. Явное преимущество АЭС это отсутствие выбросов аэрозолей и парниковых газов в атмосферу. Около 17% производства электроэнергии в мире принадлежит АЭС. Данная отрасль занимает третье место после угольной энергетики и гидроэнергетики.  В целом же на сегодняшний день мировая атомная энергетика включает в себя 440 атомных реакторов, которые расположены в 31 стране мира и суммарно производят около 370 ГВт электроэнергии.

    1. Понятия атом, мирный атом, атомная энергия

Что такое атом? Атом - это мельчайшая частица, из которой состоят все вещества. Понятие атом (в переводе с греческого - «неделимый») возникло ещё в античном мире. В V в. до н.э. древнегреческим ученым Демокритом была выдвинута идея, что все в мире состоит из атомов. На сегодняшний день нам известно, что атом - это не самая маленькая частица, что существуют частицы и меньше, которые находятся внутри самого атома.

Что такое мирный атом? Понятие «мирный атом» зародилось в 50-х годах XX века и подразумевает, что атомная энергия применяется на благо человечества. Мирный атом представляет собой значимый ресурс для устойчивого развития общества. Первое и главное преимущество атомной энергии заключается в ее способности производить большие объемы электроэнергии с минимальными выбросами углерода. Это особенно актуально в контексте глобальной борьбы с изменением климата.

Что такое атомная энергия? Атомная энергия - это энергия, которая выделяется при делении ядра атома. Как правило, чтобы расщепить ядро атома, человеку самому нужно затратить очень много энергии. Но есть вещества, ядра атомов которых могут делиться самостоятельно. К ним, например, относится уран. При делении ядер его атомов выделяется колоссальное количество энергии. Процесс деления ядра атома называют ядерной реакцией. Все ядерные реакции являются цепными, т.е. деление одного ядра приводит к делению других ядер. Очень важно, чтобы эти реакции были управляемыми человеком, иначе возможны последствия непреодолимой силы.

2. Особенности реакторов РБМК-1000 на Смоленской АЭС

2.1. Принцип работы, конструкция, описание графито-водного канального реактора. Роль графитового замедлителя и теплоносителя (легкая вода).

Реакторы РБМК-1000 на Смоленской АЭС это уран-графитовые канальные реакторы, работающие по одноконтурной схеме, где вода проходит через топливные каналы, частично испаряясь, и направляется в барабаны-сепараторы для создания пара. Основной принцип это использование графита в качестве замедлителя, воды как теплоносителя и тепловыделяющих сборок (ТВС) в технологических каналах для цепной реакции.  Высокая мощность реакторов РБМК-1000 и возможность дозаправки во время работы делают их эффективными для непрерывной выработки электроэнергии  Графито-водный канальный реактор (например, РБМК) - это реактор на тепловых нейтронах, где замедлителем служит графитовая кладка, а теплоносителем - обычная (легкая) вода, циркулирующая в индивидуальных каналах. В активной зоне графит замедляет нейтроны, а вода снимает тепло, переходя в пар, что обеспечивает высокую мощность (до нескольких ГВт) и возможность перегрузки топлива на ходу. Графитовая кладка выдерживает очень высокие температуры и служит основой для топливных каналов. Устойчивость: Графит обеспечивает высокую радиационную стойкость, хотя склонен к распуханию при длительной эксплуатации.  Вода (H₂O) прокачивается через каналы с топливом, забирая энергию, выделяющуюся при делении. Генерация пара: Легкая вода закипает в активной зоне (в РБМК), превращаясь в пар, который направляется на турбины для выработки электричества. Дополнительный замедлитель: Вода также замедляет нейтроны, но из-за сильного поглощения нейтронов. В канальных реакторах (РБМК) разделение функций замедлителя (графит) и теплоносителя (вода) позволяет строить мощные реакторы, однако требует внимательного контроля, так как кипение воды (уменьшение замедлителя) может влиять на реактивность.

2.2.  В чем заключается проблема «старения» графита на Смоленской АЭС

Проблема «старения» графита заключается в том, что с точки зрения физики твердого тела, графит под действием облучения меняет свои размеры (усадка, а затем распухание), физический износ графитовой кладки под воздействием нейтронного облучения (искривление колонн, растрескивание).

2.3. Способы решения проблемы «старения» графита на Смоленской АЭС

Основным способом решения проблемы «старения» (формоизменения, деформации) графитовой кладки на Смоленской АЭС при эксплуатирующей реакторы РБМК-1000, является технология восстановления ресурсных характеристик (УРХ). Она включает продольную резку графитовых блоков, калибровку отверстий и «встряхивание» кладки, что позволяет компенсировать деформации и продлить срок службы реактора. 

Основные этапы и методы борьбы со старением графита:

  • Технология УРХ (Восстановление ресурсных характеристик): Операция включает выгрузку топлива, извлечение технологических каналов и продольную резку графитовых блоков с использованием специальных приспособлений с видеонаблюдением.

  • Резка и калибровка: Блоки разрезаются по всей высоте для снятия внутренних напряжений, устраняются фрагменты, мешающие смыканию, и калибруются отверстия.

  • Встряхивание кладки: После резки включаются главные циркуляционные насосы для динамического воздействия на графит, что позволяет блокам занять более свободное положение.

  • Геометрический контроль: Проводится измерение стрел прогиба, повторная резка (при необходимости) и установка новых технологических каналов.

  • Использование опыта ЛАЭС и КАЭС: Смоленская АЭС применяет апробированную на Ленинградской и Курской АЭС методику, разработанную для устранения деформаций кладки.

Эти процедуры предотвращают застревание управляющих стержней и обеспечивают надежную эксплуатацию реакторов РБМК-1000.

2.4. Модернизация систем безопасности (анализ внедрения систем контроля герметичности оболочек (КГО) и систем аварийного охлаждения реактора после событий на ЧАЭС)

После чернобыльской аварии на Смоленской АЭС (САЭС) с реакторами РБМК была проведена масштабная модернизация, включающая внедрение автоматизированных систем контроля герметичности оболочек (КГО) и усиление систем аварийного охлаждения активной зоны (САОЗ). Внедрение КГО позволило оперативно обнаруживать дефекты твэлов, а модернизация САОЗ обеспечила эффективный отвод тепла при проектных авариях, существенно повысив уровень безопасности энергоблоков.

Анализ внедрения систем безопасности на Смоленской АЭС после 1986 года:

  • Системы контроля герметичности оболочек (КГО): После модернизации, системы КГО на РБМК (включая методы по активности воздуха в технологических каналах) были переведены на автоматический режим. Это позволяет в реальном времени отслеживать целостность топливных элементов и предотвращать распространение радиоактивных продуктов.

  • Системы аварийного охлаждения реактора (САОЗ): САОЗ была кардинально модернизирована. Внедрены быстродействующие насосы, увеличены емкости с запасом воды для заливки активной зоны при разрыве трубопроводов большого диаметра.

  • Комплекс мер: Помимо КГО и САОЗ, на Смоленской АЭС внедрены новые системы управления защитой (СУЗ), улучшены характеристики реактора (повышение концевых эффектов), что в комплексе с усилением защиты значительно повысило надежность энергоблоков по сравнению с доаварийным периодом. 

Физические аспекты и безопасность

  • Тип реакторов: 3 энергоблока РБМК-1000, проходящие модернизацию для повышения безопасности.

  • Эксплуатация: Успешно реализованы проекты продления срока эксплуатации энергоблоков.

  • Защита: САЭС признавалась лучшей в России по культуре безопасности и физической защите.

3. Экологическая обстановка в районе Смоленской АЭС

Экологическая обстановка в районе Смоленской АЭС (САЭС) остается стабильной, соответствуя нормативным требованиям, а радиационное воздействие на окружающую среду находится в пределах допустимых норм и значительно ниже естественного фона. Мониторинг осуществляется непрерывно, подтверждая безопасность для населения и природы. 

Основные аспекты экологического состояния:

  • Анализ данных: Используются сертифицированные методики для измерения удельной активности радионуклидов, включая донные отложения водоемов.

  • Безопасность: Радиационная обстановка в районе расположения станции (Десногорск и окрестности) классифицируется как стабильная.

  • Промышленная безопасность: Отдел охраны окружающей среды (ОООС) АЭС осуществляет контроль нерадиационных факторов и управление промышленными отходами. 

  • Радиационный мониторинг: Используются современные методики (более 50 документов) для контроля воздуха, воды и почвы, включая спектрометрический комплекс «TRI CARB».

  • Эко-эффективность: Станция отмечена международными наградами «Global Eco Brand» за ответственное отношение к окружающей среде.

  • Влияние: АЭС не оказывает заметного вреда, не загрязняя среду золой или нефтепродуктами, в отличие от тепловых станций. 

4. Водные ресурсыСмоленской АЭС оказывающие влияние на экологию вблизи станции

Водные ресурсы Смоленской АЭС (САЭС) является  Десногорское водохранилище, которое представляет собой замкнутую систему, это пруд-охладитель Смоленской АЭС, участки, где сбрасываются теплые воды с электростанции, не замерзают даже зимой. С этим и связана уникальная особенность искусственного озера. Вода в водохранилище чистая. В летний сезон толща прогревается до +20 °C, на мелководье теплее. Десногорское водохранилище, созданное для нужд Смоленской АЭС, оказывает значительное влияние на экологию региона, выступая как техногенный водоем с измененным температурным режимом (водоем-охладитель). Оно смягчает местный климат, повышая влажность и снижая континентальность, но вызывает заболачивание берегов и меняет структуру ихтиофауны, при этом являясь важным источником рыбы. 

Ключевые аспекты влияния водных ресурсов Смоленской АЭС:

  • Термическое воздействие: Как водоем-охладитель Смоленской АЭС, водохранилище подогревается, особенно в зимний период, что предотвращает замерзание части акватории. Это меняет условия жизни местных гидробионтов.

  • Гидрологические изменения: Создание плотины привело к подъему уровня грунтовых вод, усилению гидроморфизма почв и заболачиванию прибрежных территорий.

  • Влияние на экосистему: Несмотря на техногенный характер, водохранилище служит средой обитания для щуки, окуня, леща, судака, сома и толстолобика.

  • Экологическая безопасность: В районе водохранилища ведется мониторинг экологической обстановки из-за соседства с атомной станцией, функционируют зоны для отдыха.

5. Основные проблемы Смоленской АЭС

Замещение действующих энергоблоков РБМК-1000 Смоленской АЭС сталкивается с ключевыми проблемами: необходимость обеспечения высокого уровня безопасности, высокими инвестиционными затратами, сложной логистикой переработки отработанного топлива, а также внешними угрозами, включая попытки атак БПЛА. Необходимо заместить три действующих блока мощностью 1000 МВт каждый. 

Основные проблемы замещения Смоленской АЭС:

  • Безопасность и строительство: Обеспечение безопасности при переходе на новые типы реакторов (ВВЭР), строительство новых мощностей требуют соблюдения строжайших экологических и технических норм.

  • Технические и логистические сложности: Требуется развитие инфраструктуры для обращения с отработанным ядерным топливом (ОЯТ) и его транспортировка, что подтверждается отчетами о вывозе ОЯТ.

  • Экономические факторы: Высокие инвестиционные затраты на строительство замещающих мощностей (САЭС-2).

  • Внешние риски: Обеспечение физической защиты станции от атак беспилотных летательных аппаратов.

  • Эксплуатационные нормы: Соблюдение жестких норм по качеству питательной воды и водного режима, специфичных для новых реакторов, отличных от используемых на РБМК. 

6. Решение проблем замещения Смоленской АЭС

6.1. Строительство новой Смоленской АЭС-2Самым видимым решением проблемы замещения выбывающих мощностей Смоленской АЭС является строительство новой станции Смоленская АЭС-2. Строительство Смоленской АЭС-2 это возведение перспективной атомной станции нового поколения, которое сможет провести замещение Смоленской АЭС в г. Десногорске Смоленской области, предназначенной для компенсации выбывающих мощностей действующей САЭС. Для замещения действующих энергоблоков Смоленской АЭС (РБМК-1000), срок эксплуатации которых завершается необходимо строительство новых энергоблоков, в связи с чем принято решение о строительстве новой станции, которая будет обеспечивать надежное энергоснабжение региона, покроет растущий спрос и поддержит развитие промышленности, используя современные, безопасные и экологичные реакторы ВВЭР-1200 поколения 3+.  Строительство Смоленской АЭС-2 это масштабный проект по возведению двух энергоблоков с реакторами типа ВВЭР-ТОИ (поколение 3+) общей мощностью 2400 МВт. Ввод блоков намечен на 2033–2034 годы. 

6.2. Ключевые аспекты замещения Смоленской АЭС:

- Новые мощности, замещение реакторов РБМК-1000 на современные реакторы типа ВВЭР (Водо-водяной энергетический реактор). - Замещение выбывающих мощностей: Обеспечение непрерывной выработки электроэнергии, так как блоки первой Смоленской АЭС планируется вывести из эксплуатации, когда подойдут к концу сроки их службы. - -- -- Энергетическая безопасность региона: Новая АЭС-2, состоящая из двух энергоблоков, будет производить суммарную мощность 2 400 МВт, гарантируя стабильное энергоснабжение, Смоленской области и соседних регионов. - Повышенная безопасность и экологичность: Проект предусматривает использование реакторов ВВЭР-1200, которые относятся к поколению «3+». Они устойчивы к внешним воздействиям, включая ураганы и землетрясения, а также соответствуют самым современным экологическим стандартам.

Анализ полученных результатов показывает, что Смоленская АЭС сохраняет высокий уровень производственной и экологической культуры, минимизируя риски при эксплуатации реакторов РБМК, эксплуатирующая три энергоблока РБМК-1000, демонстрирует высокий уровень экологической безопасности, соответствующий стандартам ISO 14001, и активно внедряет интегрированные системы управления безопасностью.

Считаю, что цель данной работы достигнута: проанализированы ключевые проблемы атомной энергетики Смоленской области с точки зрения физики и экологии.

Решение задач поставленных данной работой:

Пути решения проблемы

Проанализировав данную работу, видны следующие пути решения проблемы:

  1. внедрение новых поколений реакторов, совершенствование технологий обращения с отходами;

  2. постепенное замещение действующих энергоблоков Смоленской АЭС;

  3. осуществление постоянного мониторинга по определению экологического состояния вблизи Смоленской АЭС.

Перспективы на будущее:

Перспективы развития атомной энергетики выглядят весьма оптимистично, за счет внедрение новых поколений реакторов, совершенствование технологий обращения с отходами, повышение экономической конкурентоспособности и расширение сфер применения атомных технологий позволяют рассматривать ее как одно из ключевых направлений в переходе к низкоуглеродной энергетике будущего

Гипотеза выдвинутая в данной работе нашла свое подтверждение в том, что использование Смоленской АЭС заключается в обеспечении стабильного энергоснабжения, применении современных технологий управления и предотвращении выбросов CO2, играя роль в экологически чистой энергетике.

Заключение

В ходе всей проделанной работы, можно прийти к следующим выводам:

  1. Атомная энергетика это одна из ключевых технологий современного мира, обеспечивающая существенный вклад в энергоснабжение при ограниченных выбросах углекислого газа. Однако её безопасность и экологические аспекты требуют постоянного контроля и инновационных решений.

  2. Возможные перспективы развития атомной энергетики Смоленской области выглядят весьма оптимистично. При внедрении новых поколений реакторов, совершенствование технологий, повышение экономической конкурентоспособности и расширение сфер применения атомной технологий, что подтверждает высказанную гипотезу данной работы.

  3. Предложены пути решения проблемы, определены перспективы на будущее, все задачи решены, и цель достигнута.

Литература

  1. Большой справочник школьника. 5-11 классы, Дрофа, 2004 г.

  2. Ермолович А.В., Большая российская энциклопедия, 2015 г.

  3. Зарубина Н.В., Карницкий Н.Б.,  Турбинные установки ТЭС и АЭС. Устройство, эксплуатация и ремонт», Вышэйшая школа, 2020 г.

  4. Монин А. С.. Шишков Ю. А. Глобальные экологические проблемы. — М.: Зна­ние, 1991 г.

  5. Федорос Е.И., Нечаева Г.А. Экология в экспериментах: учебное пособие для учащихся 10-11 классов общеобразовательных учреждений. – М.: Вентана-Граф, 2006 г. – 384 с. – (Библиотека элективных курсов).

  6. Боголюбов А.С., Кравченко М.В. Методическое пособие «Оценка загрязнения воздуха методом лихеноиндикации» «Экосистема», [Электронный ресурс]https://karpolya.ru/uploads/fajly/10lihen.pdf?ysclid=m7kufu441880740717

  7. Статья Страны Росатом «Как восстанавливают графитовую кладку реакторов РБМК-1000» от 16.11.2023 г. [Электронный ресурс] https://strana-rosatom.ru/2023/11/16/kak-vypryamlyajut-grafit-na-reaktorah-rb/

  8. Отчет Росэнергоатома «Продление срока эксплуатации », [Электронный ресурс]https://www.rosenergoatom.ru/upload/iblock/a53/a5337e1735860469190a599b537de07a.pdf

Просмотров работы: 29